CPU架构 软件开发

《自己动手写CPU》-理论篇-第一章

• 理论篇 (1章)

• 第一章 处理器与MIPS

• 1.1 计算机的简单模型
• 1.2 架构与指令集
• 1.3 MIPS指令集架构的演变
• 1.4 MIPS指令集架构简介

• 1.4.1 数据类型
• 1.4.2 寄存器
• 1.4.3 字节次序
• 1.4.4 指令格式
• 1.4.5 指令集
• 1.4.6 寻址方式
• 1.4.7 协处理器CP0
• 1.4.8 异常

理论篇 (1章)

• 介绍指令集架构、VerilogHDL相关知识。

1. 计算机的简单组成模型，简单使用模型。指令集架构的作用。OpenMIPS采用MIPS32指令集架构。
3. FPGA、VerilogHDL的基础知识。

第一章 处理器与MIPS

1.1 计算机的简单模型

• 计算机的简单组成模型
  处理器、输入输出（I/O)、存储器（Memory）

• 处理器：获取存储器中的指令并按指令执行一定的操作
• I/O：提供运算数据，显示结果
• 存储器：存储指令（运算命令）

• 计算机的简单使用模型

1.2 架构与指令集

ISA(指令集架构)：设计规范。从硬件系统中抽象出的编程所需要了解的硬件信息。包括指令集和一些寄存器。

微架构：具体实现。

• CISC与RISC（计算机分类）
  Complext Instructor of Set Computer：每条指令对应的0、1编码串长度不一。
  Reduced Instructor of Set Computer: 长度固定。
• MIPS(无内锁流水线微处理器)架构：

1.3 MIPS指令集架构的演变

1.4 MIPS指令集架构简介

1.4.1 数据类型

1. 位-b:1bit
2. 字节-Byte: 8bit
3. 半字-Half Word: 16bit
4. 字-Word: 32bit
5. 双字-Double Word: 64bit
6. 32位单精度浮点数、64位双精度浮点数

1.4.2 寄存器

1. 通用寄存器

• 32个通用寄存器$0、$1…$31,均为32位。
• $0: 常量0
• $31: 存放子程序的返回地址



• 
  

2. 特殊寄存器

• PC(Program Counter 程序计数器)
• HI(乘除结果高位寄存器)
• LO(乘除结果地位寄存器)

• 乘法运算时，HI和LO保存结果，HI存高32位，LO存低32位。
• 除法运算时，HI存储余数，LO存储商。

1.4.3 字节次序

• MSB: 大端模式，数据高位存在存储器的低地址中；{mem[n], mem[n+1], mem[n+2], mem[n+3]}
• LSB
• 本书处理器采用大端模式。

1.4.4 指令格式

• MIPS32架构中所有指令都是32位。
• op-指令码，func-功能码，rs、rt-源寄存器编号，rd-目的寄存器编号，sa-指定移位位数

1.4.5 指令集

1. 逻辑操作指令
   and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui
   逻辑与、或、亦或、或非等
2. 移位操作指令
   sll、sllv、sra、srav、srl、srlv
   逻辑左移、右移、算数右移等
3. 移动操作指令
   movn、movz、mfhi、mthi、mflo、mtlo
   通用寄存器之间以及通用寄存器与HI、LO寄存器之间的数据移动
4. 算术操作指令
   add、addi、addiu、addu、sub、subu、clo、clz、slt、slti、sltiu、sltu、mul、mult、multu、madd、maddu、msub、msubu、div、divu
   加、减、比较、乘、乘累加、除法
5. 转移指令
   jr、jalr、j、jal、b、bal、beq、bgez、bgezal、bgtz、blez、bltz、bltzal、bne
   程序转移到另一个地方执行
6. 加载存储指令
   lb、lbu、lh、lhu、ll、lw、lwl、lwr、sb、sc、sh、sw、swl、swr
   “l-”：加载指令，“s-”：存储指令
7. 协处理器访问指令
   mtc0，mfc0
   对协处理器CP0中某个寄存器进行值的读取和保存
8. 异常相关指令
   （12条自陷）teq、tge、tgeu、tlt、tltu、tne、teqi、tgei、tgeiu、tlti、tltiu、tnei
   系统调用指令syscall、异常返回指令eret
9. 其余指令
   nop（空）、ssnop（特殊空）、sync（保证加载存储操作的顺序）、pref（缓存预取）

1.4.6 寻址方式

寄存器寻址、立即数寻址、寄存器相对寻址、PC相对寻址;

1. 寄存器相对寻址：
   加载/存储指令使用

2. PC相对寻址：
   转移指令使用

1.4.7 协处理器CP0

表示处理器的一个可选部件，负责处理指令集的某个扩展，寄存器与处理器的相独立。

• CP0-系统控制-配置CPU工作状态、高速缓存控制、一场控制、存储管理单元控制等
• CP1、CP3-浮点处理单元
• CP2-保留用于特定实现
• 除CP0外的协处理器都是可选的

1.4.8 异常

硬件复位、中断（软、硬）、syscall系统调用、无效指令、溢出、自陷等